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Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Ausgangslösung zur Herstellung von Fasern, insbesondere Mikrofasern oder Submikrofasern oder Nanofasern mittels Solution-Blow-Spinnen sowie ein solches Spinnverfahren zur Herstellung von Fasern und einen mit dem Verfahren hergestellten Vliesstoff. Das Solution-Blow-Spinnen („Solution-Blow-Spinning“) ist ein Spinnverfahren, bei dem eine Ausgangslösung aus wenigstens einer Ausgangsdüse austritt und unter Einwirkung eines Prozessgases zu einem Kollektor transportiert wird, wobei sich feste Fasern bilden. Bei den Fasern handelt es sich folglich um Kunstfasern.
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Zur Herstellung von Fasern gibt es verschiedene Verfahren. Beispielsweise sind Verfahren bekannt, bei denen Fasern durch Herauspressen einer flüssigen bzw. zähflüssigen Masse durch Öffnungen hergestellt werden. Solche Verfahren werden als Schmelz-, Nass- oder Trockenspinnverfahren bezeichnet, je nachdem, wie die betreffende Masse hergestellt oder verflüssigt wurde.
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Wenn besonders feine Fasern, das heißt Fasern mit einem geringen Faserdurchmesser hergestellt werden sollen, eignen sich das Zentrifugenspinnverfahren sowie das elektrostatische Spinnen, oder das Solution-Blow-Spinnen besonders. Solche Fasern werden insbesondere für die Herstellung von Filtern benötigt. Bei den bisherigen Verfahren besteht der Nachteil, dass üblicherweise umweltschädliche und/oder die Gesundheit des Arbeitspersonals belastende Lösungsmittel zur Herstellung der Fasern eingesetzt werden. Solche Lösungsmittel sind häufig auch teuer. Deshalb wird bei vorgenannten Verfahren aus Umwelt- und Kostengründen zunehmend Wasser als Lösungsmittel (das heißt der Einsatz von wässrigen Lösungen wasserlöslicher Polymere) vorgesehen. Wasser ist im Vergleich zu anderen Lösungsmitteln umweltverträglich, ungiftig und sehr kostengünstig.
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Der Einsatz von Wasser als Lösungsmittel für Spinnverfahren ist bereits bekannt. Beispielsweise zeigt
JP 2010-150712 A ein Verfahren zur Herstellung von Fasern durch elektrostatisches Spinnen, bei dem wässrige Lösungen wasserlöslicher Polymere verwendet werden.
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Das elektrostatische Spinnen hat eine prinzipbedingt vergleichsweise geringe Produktivität. Infolge dessen ist die Faserherstellung durch elektrostatisches Spinnen sehr teuer. Das elektrostatische Spinnen kann deshalb wirtschaftlich nur für die Herstellung von Fasern verwendet werden, die in sehr hochpreisigen Produkten zum Einsatz kommen.
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US 8 641 960 B1 beschreibt ein Solution-Blow-Spinnen, bei dem zur Herstellung von sehr feinen Polymerfasern Lösungen der betreffenden Polymere mit Hilfe eines Prozessgasstromes in feste Fasern überführt werden. Ein solches Solution-Blow-Spinnen ist gegenüber dem elektrostatischen Spinnen von Vorteil, weil es eine hundert bis tausendfach höhere Produktivität ermöglicht. Allerdings ist es bislang nicht gelungen, Fasern mit einer ausreichenden bzw. hohen Qualität aus umweltfreundlichen wässrigen Lösungen durch Solution-Blow-Spinnen herzustellen.
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Es kann als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, Fasern und insbesondere hochwertige Fasern umweltfreundlich und effizient herzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Verwendung einer Ausgangslösung beim Solution-Blow-Spinnen mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 16 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird zur Herstellung der Fasern mittels Solution-Blow-Spinnen eine Ausgangslösung verwendet, bei der Wasser als Lösungsmittel eingesetzt wird. Zumindest ist der Anteil von Wasser als Lösungsmittel im Bereich von 30% bis 99%, vorzugsweise 50% bis 95%, weiter vorzugsweise 60% bis 90%. In dem Lösungsmittel ist wenigstens ein und vorzugsweise genau ein wasserlösliches Polymer gelöst. Außerdem enthält die Ausgangslösung mindestens ein Tensid. Das Tensid ist eine grenzflächenaktive Substanz, die auch als Surfactant bezeichnet werden kann.
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Es hat sich herausgestellt, dass durch die Verwendung der beschriebenen Ausgangslösung ein Herstellen von qualitativ guten und/oder hochwertigen Fasern mit einem im Wesentlichen konstanten Faserdurchmesser, erreicht werden kann. Die Fasern können als Mikrofasern, Submikrofasern oder Nanofasern, das heißt mit einem Faserdurchmesser im Mikrometerbereich oder Submikrometerbereich oder Nanometerbereich durch Solution-Blow-Spinnen hergestellt werden. Dabei ist die Reihenfolge, in der die in das Lösungsmittel zugegebenen Stoffe gelöst werden, nicht von erheblicher Bedeutung. Entscheidend ist die Zusammensetzung der Ausgangslösung.
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Es ist vorteilhaft, wenn ausschließlich Wasser als Lösungsmittel in der Ausgangslösung verwendet wird. Das wenigstens eine wasserlösliche Polymer bzw. das wenigstens eine Tensid werden nicht als Lösungsmittel angesehen.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Ausgangslösung ausschließlich wasserlösliche Polymere aufweist. Andere, nicht wasserlösliche Polymere sind nicht in der Ausgangslösung enthalten. Wenigstens eines der in der Ausgangslösung enthaltenen wasserlöslichen Polymere kann Polyvinylalkohol und/oder Polyvinylmethylether und/oder Polyethylenoxid und/oder Polyvinylpyrrolidon und/oder Polyethylenglykol und/oder Polyacrylsäure und/oder Polyacrylamid sein.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Konzentration des Wassers in der Ausgangslösung im Bereich von 30 Gew-% bis 99 Gew-%, vorzugsweise von 50 Gew-% bis 95 Gew-%, weiter vorzugsweise von 60 Gew.-% bis 90 Gew.-% liegt.
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Das mindestens eine wasserlösliche Polymer kann aus bekannten Polymeren oder Polymergruppen ausgewählt werden. Die nachfolgende Liste enthält eine nicht abschließende Auzählung verwendbarer wasserlösicher Polymere:
- - Zellulosederivate wie Methylzellulose, Natriumcarboxymethylzellulose, Hydroxymethylzellulose, Hydroxypropylzellulose , Hydroxypropylmethylzellulose;
- - Naturgummis wie Gelatine, Metalalginate (Na, K, Ca, Zn, Al), Agar;
- - Stärkederivate wie Hydroxyethylstärkeether, Hydroxypropylstärke;
- - Dextran, Hydroxyalkyldextran, Carboxyl-Niederalkyldextran;
- - Wasserlösliche Polysaccharide wie Xanthan, Pullulan, ulvan;
- - Polyaminosäuren mit freier Carboxylgruppe wie Asparaginsäure und Glutaminsäure;
- - Polyalkylenglykol wie Polyethylen- und Polypropylenglykol;
- - Synthetische Derivate wie Polyethylenoxid, Polyvinylalkohol, Polyvinylmethylether, Polyvinylpyrrolidon, Polyallyl- und Diallylamine, Polydimethylaminoethylmethakrylate, Polyacrylsäure, Polystyrensulfonate, Polyacrylamide, neutralisierter Carbopol Gummi und Copolymere und Gemische der geannten Polymere.
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In der Ausgangslösung kann genau ein oder es können mehrere der genannten Polymere enthalten sein.
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Es können auch Copolymere oder Mischungen der zuvor genannten Polymere zum Einsatz kommen.
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In der Ausgangslösung können außerdem Weichmacher für das vorhandene, mindestens eine Polymer enthalten sein, wie zum Beispiel Polyethlenglycol, Propylenglycol, Glyzerin, Trimethylolpropan, Di-/Tripropylenglycol oder mit diesen verwandten Verbindungen. Bei der Festlegung der Konzentration in der Ausgangslösung werden die Weichmancher dem Polymeranteil zugerechnet und nicht dem Lösungsmittelanteil oder dem Tensid.
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Die Konzentration des mindestens einen wasserlöslichen Polymers der Ausgangslösung liegt vorzugsweise im Bereich von 1 Gew.-% bis 70 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 5 Gew.-% bis 50 Gew.-% und weiter vorzugsweise im Bereich von 10 Gew.-% bis 40 Gew.-% einschließlich eines gegebenenfalls vorhandenen Weichmachers. Die angegebene Konzentration gilt sowohl dann, wenn lediglich ein wasserlösliches Polymer in der Ausgangslösung vorhanden ist, wie auch für Ausgangslösungen mit mehreren wasserlöslichen Polymeren.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Ausgangslösung genau ein wasserlösliches Polymer auf, das durch einen für das verwendete Polymer geeigneten Weichmacher ergänzt sein kann.
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Es ist weiter bevorzugt, wenn die Konzentration des mindestens einen Tensids in der Ausgangslösung im Bereich von 0,001 Gew.-% bis 50 Gew.-% liegt und weiter vorzugsweise im Bereich von 0,01 Gew.-% bis 5 Gew.-% liegt und weiter vorzugsweise im Bereich von 0,1 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% liegt. Es ist bevorzugt, wenn genau ein Tensid in der Ausgangslösung enthalten ist.
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Es ist vorteilhaft, wenn ein Tensid verwendet wird, das während des Solution-Blow-Spinnens im Wesentlichen oder vollständig verdampft. Somit bleiben keine oder nur geringe Restanteile des Tensids in den Herstellten Fasern zurück. Dadurch ist verhindert dass die Reste des Tensids zu einer negativen Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften und/oder der chemischen Beständigkeit der hergestellten Fasern führt. Zudem können Tensidreste nachteilig für medizinische Anwendungen sein.
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Für die Ausgangslösung A kann z.B. jedes Tensid verwendet werden, das der in der untenstehenden Tabelle genannt ist. In der Tabelle sind jeweils der Handelsname des Tensids und Angaben über dessen Zusammensetzung aufgeführt.
| Name d. Tensids | Zusammensetzung |
| Abil | Silikonbasierte Tenside |
| Aerosol | Überwiegend Sulfosuccinate |
| Aerosol OT (AOT) | Natriumdioctylsulfosuccinat |
| Akypo | Überwiegend Alkylethercarboxylate |
| Alkamide | Alkanolamide |
| Amiet | Ethoxylierte Amine und Amide |
| Ammonyx | Aminoxide |
| Ampholak | Amphotere |
| Arlacel | Fettsäureester und ethoxylierte Fettsäureester |
| Arlatone | Ethoxylierte Fettsäureester |
| Armeen | Fettamine |
| Atlas | Überwiegend ethoxylierte Verbindungen |
| Atlox | Tenside und Tensidmischungen für die Pestizidherstellung |
| Berol | Verschiedene, überwiegend ethoxylierte Verbindungen |
| Biodac | Ethoxylierter C10 Alkohol |
| Brij | Ethoxylierte Fettalkohole |
| Britex | Ethoxylierte Fettalkohole |
| Calgene | Verschiedene Tenside auf Basis von Estern |
| Chemal | Ethoxylated fatty alcohols |
| Chemax | Verschiedene ethoxylierte Verbindungen |
| | Alkanolamide and verschiedene ethoxylierte Verbin- |
| Chimipal | dungen |
| Cithrol A, ML, MO und | |
| MS | Ethoxylierte Fettalkohole |
| Cithrol, others | Glycol und Glyceroleter |
| Crodamine | Aminoxyde |
| Crodet | Ethoxylierte Fettsäuren |
| Dehydol | Ethoxylierte Fettalkohole |
| Dehydrophen | Ethoxylierte Alkylphenole |
| | Ethoxylierte Fettalkohole, spezille, z.B. mit blockierten |
| Dehypon | Enden |
| Dobanol | Ethoxylierte Fettalkohole |
| Dowfax | Diphenyloxyd-basierte Sulfonate |
| Elfan | Verschieden Sulfate und Sulfonate |
| Emal | Sulfate von Alkoholen und ethoxylierten Alkoholen |
| Emcol | Verschiedene Inhaltsstoffe |
| | Sulfate von Alkoholen und ethoxylierten Alkoholen, |
| Empicol | Alkylethercarboxylat |
| | Alkanolamide und verschiedene ethoxylierte Verbin- |
| Empilan | dungen |
| Empimin | Sulfate und Sulfosuccinate |
| Emulan | Verschiedene ethoxylierte Verbindungen |
| Emulgante | Ethoxylierte C16-C18 Alkohole |
| Emulson | Verschiedene Inhaltsstoffe |
| Ethylan | Überwiegend ethoxylierte Verbindungen |
| Eumulgin | Verschiedene ethoxylierte Verbindungen |
| Findet | Verschiedene ethoxylierte Verbindungen |
| Fluorad | Fluorcarbon-basierte Tenside |
| Genapol | Ethoxylierte Fettalkohole |
| Geropon | Überwiegend Sulfosuccinate und Taurate |
| Glucopon | Zucker-basierte Tenside |
| Hamposyl | N-Acylsarcosinate |
| Hostapur | Alpha-Olefinsulfonate und Petroleumsulfonate |
| Iconol | Verschiedene ethoxylierte Verbindungen |
| Igepal | Verschiedene ethoxylierte Verbindungen |
| Imbentin | Ethoxylierte Alkylphenole |
| Lialet | Ethoxylierte Fettalkohole |
| Lipolan | Alpha-Olefinsulfonate |
| Lorodac | Ethoxylierte Fettalkohole |
| Lutensol | Verschiedene ethoxylierte Verbindungen |
| Mackam | Amphotere |
| Macol | Verschiedene ethoxylierte Verbindungen |
| Manro | Sulfate, Sulfonate und Alkanolamide |
| Marlipal | Ethoxylierte Fettalkohole |
| Marlophen NP | Ethoxyliertes Nonylphenol |
| Miranol | Imidazoline |
| Mirataine | Betaine |
| Monamid | Alkanolamide |
| Montane | Sorbitan-Derivate |
| Myverol | Monoglyceride |
| Neodol | Ethoxylierte Fettalkohole |
| Newcol | Verschiedene Inhaltsstoffe |
| Nikkol | Verschiedene Inhaltsstoffe |
| Ninol | Alkanolamide |
| Nissan Nonion | Verschiedene ethoxylierte Verbindungen |
| Trydet | Ethoxylierte Fettsäuren und Ester |
| Trylon | Ethoxylierte Fettalkohole und Öle |
| Tween | Ethoxylierte Sorbitanester |
| | Alkylbenzensulfonate und Sulfate von Fettalkoholen and |
| Ufarol | ethoxylierten Fettalkoholen |
| Ufaryl | Alkylbenzensulfonate |
| Ufasan | Alkylbenzensulfonate |
| Ungerol | Sulfate von ethoxylierten Fettalkoholen |
| Varamide | Alkanolamide |
| Variquat | Quaternäre Ammonium-Tenside |
| Volpo | Ethoxylierte Fettalkohole |
| Witcamide | Alkanolamide |
| Witconate | Alkylarylsulfonate |
| Witconol | Glycol and Glycerolester |
| Ninol | Alkanolamide |
| Nissan Nonion | Verschiedene ethoxylierte Verbindungen |
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Die Ausgangslösung kann bei einem Ausführungsbeispiel Feststoffpartikel enthalten, beispielsweise organische und/oder anorganische Feststoffpartikel, wie SiO2 TiO2, ZrO2, CuO, ZnO oder Ag, vorzugsweise mit Partikeldurchmessern, die kleiner als der mittlere Faserdurchmesser sind.
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Vorzugsweise weist die Ausgangslösung zusätzlich zum Lösungsmittel, zu dem wenigstens einen Polymer, zu dem Tensid, zu einem optional vorhandenen Weichmacher und zu optional vorhandenen Feststoffpartikeln keine weiteren Bestandteile auf.
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Die Ausgangslösung wird beim Solution-Blow-Spinnen durch wenigstens eine erste Ausgangsdüse einer Vorrichtung ausgeströmt. Gleichzeitig wird durch wenigstens eine zweite Ausgangsdüse ein Prozessgas ausgeströmt. Jeder ersten Ausgangsdüse ist wenigstens eine zweite Ausgangsdüse zugeordnet. Das ausströmende Prozessgas tritt mit hoher Geschwindigkeit aus. Dadurch wird die aus der ersten Austrittsöffnung austretende Ausgangslösung vom Prozessgas mitgenommen bzw. mitgeführt.
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Vorzugsweise wird das Prozessgas unter einem Druck von 0,1 bis 1000 psi, vorzugsweise von 5 bis 80 psi und weiter vorzugsweise 10 bis 60 psi der wenigstens zweiten Ausgangdüse zugeführt.
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Als Prozessgas kann bei einem Ausführungsbeispiel Luft bzw. Druckluft verwendet. Die Luft kann unter einem Druck von 10 bis 80 psi der wenigstens einen zweiten Ausgangsdüse zugeführt werden.
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Die Ausgangslösung kann der wenigstens einen ersten Ausgangdüse über eine Pumpeinrichtung zugeführt werden. Als Pumpeinrichtung kann eine Dosierpumpe, beispielsweise eine Zahnradpumpe, Exzenterschneckenpumpe, Hubkolbenpumpe, Schlauchpumpe, Membranpumpe oder eine andere Verdrängerpumpe verwendet werden.
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Jeder ersten Ausgangdüse kann genau eine zweite Ausgangsdüse zugeordnet sein. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel kann die zweite Ausgangsdüse die erste Ausgangsdüse teilweise oder vollständig umschließen, vorzugsweise ringförmig. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel sind jeder ersten Ausgangsdüse wenigstens zwei zweite Ausgangsdüsen zugeordnet. Die zweiten Ausgangsdüsen können gleichmäßig verteilt um den Umfang der ersten Ausgangsdüsen oder angeordnet sein. Auch lineare Anordnungen der Ausgangsdüsen können eingesetzt werden.
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Die Austrittsrichtung, die durch die wenigstens eine erste Ausgangsdüse definiert ist und die Austrittsrichtung, die durch die zugeordnete wenigstens eine zweite Ausgangsdüse definiert ist, können parallel zueinander orientiert sein. Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass die Austrittsrichtung der wenigstens einen zweiten Ausgangsdüse gegenüber der Austrittsrichtung der zugeordneten wenigstens einen ersten Ausgangsdüse geneigt ist.
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Durch das austretende Prozessgas bildet sich zumindest in einem Abstand von einigen Millimetern, beispielsweise von 0 bis 100 mm oder 0,5 bis 20 mm oder 1 bis 5 mm ein Flüssigkeitsstrahl der Ausgangslösung. Dieser Flüssigkeitsstrahl wird durch das Prozessgas mitgeführt bzw. transportiert. Während dieses Transports der Ausgangslösung in Richtung auf einen Kollektor zu, verdampft vorzugsweise das enthaltende Lösungsmittel und/oder das enthaltende Tensid im Wesentlichen vollständig, beispielsweise zumindest zu 85% oder zumindest zu 90% oder zumindest zu 95% oder zumindest zu 99%. Dadurch verfestigt sich das in der Ausgangslösung enthaltene Polymer, dass dann nicht mehr im Lösungsmittel gelöst ist. Die dadurch entstehenden festen Fasern werden auf dem Kollektor gesammelt.
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Es ist bevorzugt, dass der Siedepunkt des Lösungsmittels und/oder des Tensids derart klein ist, dass das Lösungsmittel und/oder das Tensid nach dem Austreten aus der wenigstens einer ersten Ausgangsdüse verdampft.
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Das Prozessgas kann eine fokussierende und/oder bündelnde Wirkung auf die austretende Lösung haben. Die Bildung eines Flüssigkeitsstrahls der austretenden Ausgangslösung, kann durch Auswahl von Verfahrensparametern, beispielsweise der Zusammensetzung der Ausgangslösung und/oder der Temperatur der Ausgangslösung und/oder der Temperatur des Prozessgases und/oder der Umgebungstemperatur und/oder der Temperatur der Ausgangdüsenanordnung und/oder der Geschwindigkeit des Prozessgases und/oder der chemische Zusammensetzung des verwendeten Prozessgases und/oder einer Saugleistung einer am Kollektor angeordneten Absaugeinrichtung beeinflusst werden.
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Der Faserdurchmesser der hergestellten Fasern beträgt typischerweise ein zwanzigstel bis ein Tausendstel des Öffnungsdurchmessers der wenigstens einen ersten Austrittsöffnung. Der Faserdurchmesser ist kleiner als der Durchmesser des aus der wenigstens einen ersten Austrittsöffnung austretenden Flüssigkeitsstrahls. Durch die Verfahrensparameter, beispielsweise die Geschwindigkeit des austretenden Prozessgases, kann eine Verringerung des Faserdurchmessers gegenüber dem Durchmesser des austretenden Flüssigkeitsstrahls erreicht und eingestellt werden. Wird zum Beispiel die Austrittsgeschwindigkeit des Prozessgases erhöht, wird der Flüssigkeitsstrahl entlang seiner Bahn sozusagen gedehnt, wodurch sich sein Durchmesser verringert. Außerdem wird das Lösungsmittel und/oder das Tensid verdampft, so dass sich auch das Flüssigkeitsvolumen nach dem Austreten aus der wenigstens einen ersten Ausgangdüse verringert.
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Mit dem Solution-Blow-Spinnen ist es beispielsweise möglich, mit Durchmessern der wenigstens einen ersten Ausgangsdüse von beispielsweise 0,2 bis 1 mm, Fasern im Mikrometer- oder Submikrometer oder Nanometerbereich herzustellen. Bei einem Ausführungsbeispiel haben die hergestellten Fasern einen mittleren Durchmesser von etwa 50 Nanometern bis 3 Mikrometern.
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Das Prozessgas kann bei einer Ausführung mit einer Temperatur von 0°C bis 100°C, vorzugsweise 10°C bis 90°C und weiter vorzugsweise 20°C bis 80°C zu der wenigstens einen zweiten Ausgangsdüse (21) zugeführt werden.
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Nach dem Herstellen der Fasern kann es vorteilhaft sein, wenn eine Nachbehandlung der Fasern erfolgt, beispielsweise durch Bestrahlen mit einer energiereichen Strahlung, wie etwa UV-Licht und/oder eine Wärmebehandlung und/oder eine Plasma/Corona-Behandlung und/oder eine chemische Behandlung und/oder andere Behandlungen zur Quervernetzung. Durch eine derartige Nachbehandlung ist es möglich, nicht wasserlösliche Fasern zu erhalten. Eine derartige Nachbehandlung kann einfach und kostengünstig durchgeführt werden.
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Sämtliche in der Beschreibung angegebenen Bereiche („von...bis...“) sind jeweils einschließlich der angegebenen Bereichsgrenze zu verstehen, solange nichts anderen angegeben ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische, blockschaltbildähnliche Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung von Fasern mittels Solution-Blow-Spinnen,
- 2 und 3 jeweils eine schematische Prinzipdarstellung unterschiedlicher Ausgangsdüsenanordnungen mit jeweils einer ersten Ausgangsdüse und wenigstens einer zugeordneten zweiten Ausgangsdüse in Draufsicht auf die Ausgangsdüsen,
- 4 und 5 eine schematische Prinzipdarstellung unterschiedlicher linearer Ausgangsdüsenanordnungen von mehreren ersten und zweiten Ausgangsdüsen in Draufsicht auf die Ausgangsdüsen,
- 6 und 7 jeweils eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer Ausgangsdüsenanordnung mit jeweils wenigstens einer ersten Ausgangdüse und wenigstens einer zugeordneten zweiten Ausgangsdüse und
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1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Durchführung eines Solution-Blow-Spinn Verfahrens. Die Vorrichtung 10 hat einen Vorratsbehälter 11 zur Bereitstellung einer Ausgangslösung A. Die Ausgangslösung A wird mittels einer Pumpeinrichtung 12 zu einem Lösungsfluidanschluss 13 einer Spinndüseneinrichtung 14 gefördert.
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Außerdem weist die Spinndüseneinrichtung 14 einen Prozessgasanschluss 15 auf, mittels dem der Spinndüseneinrichtung 14 ein unter Druck stehendes Prozessgas G zugeführt wird. Das Prozessgas G kann beispielsweise durch Luft bzw. Druckluft gebildet sein. Es kann einem Druckspeicher 16 entnommen werden. Alternativ kann anstelle des Druckspeichers 16 auch ein Kompressor oder dergleichen vorhanden sein, um aus der Umgebung Luft anzusaugen und Druckluft als Prozessgas G bereitzustellen. Das Prozessgas G kann auch ein anderes Gas wie Stickstoff, Helium oder Wasserstoff sein.
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Die Spinndüseneinrichtung 14 hat wenigstens eine erste Ausgangsdüse 20. Jeder ersten Ausgangdüse 20 ist wenigstens eine zweite Ausgangsdüse 21 zugeordnet. Wenn mehrere erste Ausgangsdüsen 20 vorhanden sind, können diese unterschiedlich ausgerichtete Austritts- oder Abstrahlrichtungen aufweisen, was in 1 schematisch dargestellt ist.
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Die wenigstens eine erste Ausgangsdüse 20 ist fluidisch mit dem Lösungsfluidanschluss 13 verbunden. Die wenigstens eine zweite Ausgangsdüse 21 ist fluidisch mit dem Prozessgasanschluss 15 verbunden. Somit tritt durch die wenigstens eine erste Ausgangsdüse 20 die Ausgangslösung A und durch die wenigstens eine zweite Ausgangsdüse 21 das Prozessgas G aus.
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Das gleichzeitig zu der Ausgangslösung A austretende Prozessgas G nimmt die Ausgangslösung A mit und fördert diese von der Spinndüseneinrichtung 14 weg in Richtung zu einem Kollektor 22 hin. Durch die hohe Geschwindigkeit des Prozessgases G bilden sich oberhalb von der Mündung der jeweiligen ersten Ausgangdüse 20 ein oder mehrere Flüssigkeitsstrahlen 23 der Ausgangslösung A. Während des weiteren Weges zum Kollektor 22 hin verdampft ein in der Ausgangslösung A enthaltenes Lösungsmittel und gegebenenfalls weitere flüssige Bestandteile der Ausgangslösung A, so dass sich feste Fasern 24 bilden, die am Kollektor 22 gesammelt werden.
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Der Kollektor 22 kann bewegbare Bestandteile aufweisen, beispielsweise ein sich bewegendes Förderband, das über Antriebsrollen 25 bewegt wird. In Abwandlung zum dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Kollektor 22 auch unbeweglich, statisch ausgeführt sein.
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Vorzugsweise ist der Kollektor 22 gasdurchlässig und kann beispielsweise durch einen gitter- oder maschenförmigen Träger, wie etwa ein feinmaschiges Netz, gebildet sein. Auf der der Spinndüseneinrichtung 14 entgegengesetzten Seite des Kollektors 22 kann eine Absaugeinrichtung 26 vorhanden sein. Die Absaugeinrichtung 26 kann dazu eingerichtet sein, die sich zwischen der Spinndüseneinrichtung 14 und dem Kollektor 22 bildenden Fasern 24 durch Ansaugen eines Luftstromes zum Kollektor 22 hin zu bewegen.
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In den 2 bis 7 sind schematisch beispielhaft unterschiedliche Ausgestaltungen jeweils einer Ausgangsdüsenanordnung 30 der Spinndüseneinrichtung 14 veranschaulicht. Die Spinndüseneinrichtung 14 kann eine oder mehrere der veranschaulichten Ausgangsdüsenanordnungen 30 aufweisen. Diese können parallel oder geneigt zueinander an der Spinndüseneinrichtung 14 angeordnet bzw. ausgerichtet sein. Jede Ausgangsdüseneinrichtung 30 weist wenigstens eine und beispielsgemäß genau eine erste Ausgangsdüse 20 für die Ausgangslösung A und wenigstens eine zugeordnete zweite Ausgangsdüse 21 für das Prozessgas G auf.
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Bei dem in 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist die Ausgangdüsenanordnung 30 genau eine erste Ausgangsdüse 20 und genau eine zugeordnete zweite Ausgangsdüse 21 auf. Die erste Ausgangdüse 20 ist im Zentrum einer ringförmig geschlossenen zweiten Ausgangdüse 21 angeordnet, die beim Ausführungsbeispiel die erste Ausgangdüse 20 koaxial vollständig umschließt.
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Bei dem in 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist die Ausgangsdüsengruppe 30 beispielsgemäß genau eine erste Ausgangsdüse 20 und mehrere zugeordnete, benachbart dazu angeordnete zweite Ausgangsdüsen 21 auf, beispielsweise vier zweite Ausgangdüsen 21. Die Anzahl der zweiten Ausgangsdüsen 21 kann variieren, wobei wenigstens zwei zweite Ausgangsdüsen 21 vorhanden sind. Die zweiten Ausgangdüsen 21 sind vorzugsweise gleichmäßig verteilt in Umfangsrichtung um die erste Ausgangsdüse 20 angeordnet. Die zweiten Ausgangsdüsen können auch eine gebogene Schlitzform aufweisen und die erste Ausgangsdüse 20 in deren Umfangsrichtung teilweise umschließen.
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Generell kann die Querschnittsform der Ausgangsdüsen 20, 21 beliebig gewählt werden. Beispielsgemäß sind jeweils kreisrunde bzw. kreisringförmige Querschnitte veranschaulicht. Auch andere polygonale oder schlitzförmige gerade oder gekrümmte Querschnittskonturen können vorgesehen werden, insbesondere für die wenigstens eine zweite Ausgangsdüse 21 jeder Ausgangsdüsengruppe 30.
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Die 4 und 5 zeigen lediglich beispielhaft, dass die Ausgangsdüsen 20, 21 in einer linearen Anordnung in einer oder mehreren Reihen nebeneinander angeordnet werden können.
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In den 6 und 7 ist veranschaulicht, dass die strichpunktiert dargestellten Mittellängsachsen der Ausgangdüsen 20, 21 einer Ausgangsdüsengruppe 30 parallel zueinander orientiert sein können (6) oder alternativ gegeneinander geneigt orientiert sein können (7). Bei dem in 7 schematisch gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Ausgangsrichtung für das Prozessgas G der wenigstens einen zweiten Ausgangsdüse 21 gegenüber der Austrittsrichtung der Ausgangslösung A geneigt, beispielsgemäß derart, dass das Prozessgas G an mehreren Umfangsstellen jeweils schräg auf die Mittellängsachse bzw. die Austrittsrichtung der der ersten Ausgangsdüse 20 zu ausgerichtet ist.
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Die Mündung der wenigstens einen ersten Ausgangsdüsen 20 ist von der Mündung der wenigstens einen zugeordneten zweiten Ausgangsdüse 21 mit Abstand und vorzugsweise stromabwärts des Prozessgasstroms angeordnet. Der Abstand kann beispielsweise 0,5 bis 20 mm oder 1 bis 10 mm oder 1 bis 5 mm oder 2 bis 3 mm betragen.
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Die Orientierungen der Austrittsrichtungen gemäß der 6 und 7 können sowohl für die Ausgangsdüsengruppe 30 aus 2, als auch für die Ausgangsdüsengruppe 30 aus 3 vorgesehen werden.
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Zur Bildung der Ausgangslösung A wird wenigstens und vorzugsweise genau ein wasserlösliches Polymer, aus dem die Fasern 24 gebildet werden soll, in einem Lösungsmittel und beispielsgemäß in Wasser gelöst. Die Ausgangslösung enthält außerdem wenigstens ein Tensid. Ferner kann für das wenigstens eine Polymer der Ausgangslösung A ein Weichmacher in der Ausgangslösung A enthalten sein. Das Polymer kann in fester Form, beispielsweise als Pulver, in Form von kleinen Kugeln oder Pellets oder dergleichen in dem als Lösungsmittel dienenden Wasser der Ausgangslösung A gelöst werden.
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Die Konzentration des wenigstens einen wasserlöslichen Polymers in der Ausgangslösung A kann 1 Gew.-% bis 70 Gew.-%, vorzugsweise 5 Gew.-% bis 50 Gew.-%, weiter vorzugsweise 10 Gew.-% bis 40 Gew.-% betragen. Wenn für das wenigstens eine Polymer ein Weichmacher verwendet wird, betreffen die Angaben der Konzentration die Gesamtsumme des wenigstens einen Polymers einschließlich des Weichmachers.
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Die Konzentration des Wassers in der Ausgangslösung beträgt bei bevorzugten Ausführungsbeispielen 30 Gew.-% bis 99 Gew.-%, vorzugsweise 50 Gew.-% bis 95 Gew.-% und weiter vorzugsweise 60 Gew.-% bis 90 Gew.-%.
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Die Konzentration des Tensids in der Ausgangslösung A beträgt beim Ausführungsbeispiel 0,001 Gew.-% bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 0,01 % bis 5 Gew.-% und weiter vorzugsweise 0,1 Gew.-% bis 1,5 Gew.-%.
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Das Prozessgas G kann am Prozessgasanschluss 13 mit einem Druck von bis zu 1000 psi, vorzugsweise mit einem Druck von 5 bis 80 psi zugeführt werden. Bei der Verwendung von Luft als Prozessgas G kann der Druck im Bereich von 10 bis 60 psi liegen. Das Prozessgas G hat beim Zuführen von Spinndüseneinrichtung 14 eine Temperatur im Bereich von 0°C bis 100°C, vorzugsweise von 10°C bis 90°C und weiter vorzugsweise von 20°C bis 80°C. Beispielsgemäß ist die Prozessgastemperatur des Prozessgases G beim Zuführen zur Spinndüseneinrichtung 14 größer als die Umgebungstemperatur, beispielsweise eine Raumtemperatur, und kann im Bereich von 35°C bis 70°C liegen.
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Die durch die Polymerketten gebildeten Fasern 24 werden beim Verfahren dadurch erhalten, dass auf dem Weg zwischen der Spinndüseneinrichtung 14 und dem Kollektor 22 das Lösungsmittel, hier das Wasser, und/oder das wenigstens eine Tensid vollständig oder zumindest teilweise verdampft. D.h. das Lösungsmittel und/oder das Tensid verdampfen zumindest zu 85% oder zumindest zu 90% oder zumindest zu 95% oder zumindest zu 99%.
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Bei dem Verfahren werden unter Verwendung der Vorrichtung 10 die Fasern 24 gebildet. Auf dem Kollektor 22 entsteht ein Faservlies aus den Fasern 24, die vorzugsweise einen Faserdurchmesser im Mikrometerbereich, im Submikrometerbereich oder im Nanometerbereich aufweisen. Die Fasern 24 bestehen im Wesentlichen aus dem in der Ausgangslösung A vorhandenen Polymer, optional zusätzlich aus dem für das wenigstens eine Polymer verwendeten Weichmacher.
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Nachfolgend werden Beispiele 1 bis 4 angegeben, die eine mögliche Zusammensetzung der Ausgangslösung A und Merkmale der Vorrichtung 10 beschreiben.
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Beispiel 1:
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Zur Herstellung der Polymerlösung werden 10 Gew.-% Polyvinylalkoholpulver (mit einer Molekülmasse von 130000 u) in destilliertem Wasser gelöst (88 Gew.-%) und 2 Gew.-% des Tensids Polyoxyethylen(23)laurylether (bekannt unter dem Handelsnamen Brij-35) zugegeben. Aus der Polymerlösung werden mittels des Solution-Blow-Spinnverfahrens feine Fasern 24 hergestellt. Das Verfahren wird unter Verwendung von Druckluft als Prozessgas G durchgeführt, das mit einem Druck von 10 psi zu der wenigstens einen zweiten Ausgangsdüse 21 zugeführt wird. Die wenigstens eine erste Ausgangsdüse 20 hat einen Durchmesser von 0,6 mm (an der Austrittsöffnung). Die Entfernung zwischen der wenigstens einen ersten Ausgangsdüse 20 und dem Kollektor 22 beträgt 65 cm. Die mit diesem Verfahren hergestellten Fasern 24 haben Faserdurchmesser mit einem Durchmesser in einem Bereich von 50 bis 400 nm. Der Mittelwert des Durchmessers der erzeugten Fasern 24 liegt bei 200 nm.
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Beispiel 2:
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Die Polymerlösung wird aus 12 Gew.-% Polyvinylalkohol (Molekülmasse 130000 u) hergestellt, der in destilliertem Wasser gelöst, das in der Ausgangslösung A mit 87 Gew.-% enthalten ist. Die Ausgangslösung A enthält 1 Gew.-% Isopropanol. Das Verfahren wird unter Verwendung von Druckluft als Prozessgas G durchgeführt, das mit einem Druck von 20 psi zu der wenigstens einen zweiten Ausgangsdüse 21 zugeführt wird. Die wenigstens eine erste Ausgangsdüse 20 hat einen Durchmesser von 0,6 mm (an der Austrittsöffnung). Die Entfernung zwischen der wenigstens einen ersten Ausgangsdüse 20 und dem Kollektor 22 beträgt 65 cm. Die mit diesem Verfahren hergestellten Fasern 24 haben Faserdurchmesser in einem Bereich von 100 bis 450 nm. Der Mittelwert des Durchmessers der erzeugten Fasern 24 liegt bei 240 nm.
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Beispiel 3:
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10 Gew.-% Polyvinylalkohol (Molekülmasse 130.000 u) und 2 Gew.-% Polyvinylmethylether werden in 87 Gew.-% Wasser gelöst. Die Ausgangslösung A enthält auch 1 Gew.-% Isopropanol. Das Verfahren wird unter Verwendung von Druckluft als Prozessgas G durchgeführt, das mit einem Druck von 20 psi zu der wenigstens einen zweiten Ausgangsdüse 21 zugeführt wird. Die wenigstens eine erste Ausgangsdüse 20 hat einen Durchmesser von 0,8 mm (an der Austrittsöffnung). Die Entfernung zwischen der wenigstens einen ersten Ausgangsdüse 20 und dem Kollektor 22 beträgt 65 cm. Die mit diesem Verfahren hergestellten Fasern 24 haben Faserdurchmesser in einem Bereich von 100 bis 500 nm. Der Mittelwert des Durchmessers der erzeugten Fasern 24 liegt bei 250 nm.
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Beispiel 4:
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3 Gew.-% Polyethylenoxid (Molekülmasse 600.000 u) werden in 96 Gew.-% destilliertem Wasser gelöst. Die Ausgangslösung A enthält auch 2 Gew.-% Isopropanol. Das Verfahren wird unter Verwendung von Druckluft als Prozessgas G durchgeführt, das mit einem Druck von 40 psi zu der wenigstens einen zweiten Ausgangsdüse 21 zugeführt wird. Die wenigstens eine erste Ausgangsdüse hat einen Durchmesser von 0,6 mm. Die Entfernung zwischen der wenigstens einen ersten Ausgangsdüse 20 und dem Kollektor 22 beträgt 65 cm. Die mit diesem Verfahren hergestellten Fasern 24 haben einen Faserdurchmesser in einem Bereich von 100 bis 500 Nanometern. Der Mittelwert des Durchmessers der erzeugten Fasern 24 liegt bei 250 Nanometern.
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Die vier vorstehenden Ausführungsbeispiele oder auch generell das erfindungsgemäße Spinnverfahren können durch die Verwendung von zusätzlichen und/oder alternativen Tensiden weiter optimiert werden. Es kann z.B. jedes Tensid und/oder Polymer verwendet werden, das der in der eingangs der Beschreibung angegebenen Tabellen enthalten ist.
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Weitere konkrete Beispiele ergeben sich insbesondere durch die Auswahl der Zusammensetzung der Bestandteile der Ausgangslösung A in den in der Beschreibung angegebenen Bereichen.
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Die in den Beispielen 1 bis 4 angegebenen Merkmale der Vorrichtung 10 können auch jeweils für andere Zusammensetzungen der Ausgangslösung A verwendet werden.
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Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Ausgangslösung A beim Verfahren zur Herstellung von Fasern für eine Faservlies mittels eines sogenannten Solution-Blow-Spinnens. Als Lösungsmittels für die Ausgangslösung A wird Wasser verwendet. In dem Wasser der Ausgangslösung A ist wenigstens ein wasserlösliches Polymer und vorzugsweise genau ein wasserlösliches Polymer gelöst. Die Ausgangslösung A enthält außerdem mindestens 1 Tensid und optional einen Weichmacher für das jeweils wenigstens eine verwendete Polymer. Mittels dieser Ausgangslösung A ist es möglich, Fasern 24 durch Solution-Blow-Spinnen umweltverträglich herzustellen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 11
- Vorratsbehälter
- 12
- Pumpeinrichtung
- 13
- Lösungsfluidanschluss
- 14
- Spindüsenanordnung
- 15
- Prozessgasanschluss
- 16
- Druckspeicher
- 20
- erste Ausgangsdüse
- 21
- zweite Ausgangsdüse
- 22
- Kollektor
- 23
- Flüssigkeitsstrahl
- 24
- Faser
- 25
- Antriebsrolle
- 26
- Absaugeinrichtung
- 30
- Ausgangsdüsengruppe
- A
- Ausgangslösung
- G
- Prozessgas
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2010150712 A [0004]
- US 8641960 B1 [0006]
